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第07章 外延 引言 Si气相外延的基本原理 外延层中的杂质分布 低压外延 选择外延 引言 定义：是在单晶衬底上生长一层单晶膜的技术。新生单晶层按衬底晶相延伸生长，并称此为外延层。长了外延层的衬底称为外延片。 类型 正向外延、反向外延 在低阻衬底上生长高阻外延层为正向外延。 在高阻衬底上生长低阻外延层为反向外延。 同质外延、异质外延 外延层与衬底同种材料为同质外延。如Si/Si、GaAs/GaAs 、GaP/GaP 外延层与衬底不同材料为异质外延。如Si/Al2O3、GaS/Si、GaAlAs/GaAs 直接外延、间接外延 直接外延是用加热、电子轰击或外加电场等方法使生长的材料原子获得能量，直接迁移沉积在衬底表面上完成外延生长.如真空淀积，溅射，升华等 间界外延是利用化学反应在衬底表面上沉积生长外延层 引言 外延的方法 气相外延（VPE）：技术成熟，能很好地控制薄膜厚度和晶格完整性，所以在Si工艺中一直占据着主导地位。但为了保证晶格的完整性，气相外延必须在高温（800-1150℃）下进行。 液相外延（LPE）：主要应用在Ⅲ-Ⅴ族化合物（GaAs、InP）半导体薄膜的外延制备中。 固相外延（SPE）：在离子注入后的退火中得到了应用。将离子注入后的非晶区转变为单晶区的过程可视为固相外延。 引言 外延生长的必要性 双极晶体管 可解决高频大功率器件的击穿电压和集电极串联电阻对集电区电阻率要求之间的矛盾而采取的一种折中方法。 集电区n-/n+二层结构构成。硅原始衬底是高浓度的；外延层则是低浓度的。高浓度的原始衬底起着支撑芯片（约500微米的厚度）的机械强度和降低集电区体电阻的作用；低浓度的外延层（仅有10微米左右）则起着提高集电结反向击穿电压的作用。 CMOS 生长外延层（2-4μm，p-型或本征）是为了给CMOS器件提供一个光滑、损伤小、无SiOx沉积和低缺陷的完整性好的表面，以减小漏电流、改善器件的电学特性，消除闩锁效应。 §7.1 Si气相外延的基本原理 Si源 SiCl4：应用最广泛，也是研究最多的Si源，但是用其生长外延层需要很高的温度，因此已经不适应当今IC工艺的要求。 SiHCl3（TCS）：可在较低温度下外延，生长速度快，1um/min，用于厚外延层的制备。 SiCl2H2（DCS）：用于更低温度下生长高质量的薄外延层，外延层的缺陷密度低于SiCl4和SiH4。是选择外延常用的Si源。 SiH4 ：可在低于900度下生长很薄的外延层，且淀积率较高。 Si2H6：低温外延中使用的新Si源。 §7.1 Si气相外延的基本原理 外延薄膜的生长模型 在外延生长过程中，反应剂先吸附在表面上。反应后生成Si和一些副产物，副产物必须立即被排出，而生成的Si则按衬底晶向生长成薄膜。 同质外延层通常都是生长在完整晶体的某个晶面上，但晶面的构造可以用三个分开但是彼此有着密切联系的特征来描述：平台、台阶、扭转。这种表面通常称为近晶面。 §7.1 Si气相外延的基本原理 为了促使薄膜生长，Si原子必须始终保持被表面吸附的状态，被吸附的Si原子称为吸附原子。吸附原子处于表面上的不同位置时，对薄膜生长的影响不同。 处于a位置（1个Si-Si键吸附）。 处于b位置（2个Si-Si键吸附）。 处于c位置（3个Si-Si键吸附）。 薄膜生长是依靠晶体表面台阶的横向运动（二维）进行的。当一层生长以后，另一层开始生长。 §7.1 Si气相外延的基本原理 在任意特定的淀积温度下，都存在一个最大淀积率。高过最大淀积率，会生成多晶薄膜；低于最大淀积率，生成单晶薄膜（外延层）。解释如下： 在高生长速率的情况下，吸附原子没有足够的时间迁移到扭转点，因而会形成多晶。 温度升高时，表面迁移率随之上升，在与其他原子形成Si串之前就已到达扭转点，薄膜开始生长。Si单晶外延生长的激活能与Si自扩散的激活能一致，为5eV。 §7.1 Si气相外延的基本原理 化学反应过程 SiH4 §7.1 Si气相外延的基本原理 SiCl4 §7.1 Si气相外延的基本原理 SiHCl3、SiH2Cl2 反应式同上，最终都分解为SiCl2。但反应的难易不同，即激活能不同。 SiCl4（1.6-1.7eV） SiHCl3（0.8-1.0eV） SiH2Cl2（0.3-0.6eV） 需要指出的是， SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2的反应都是可逆的，即Si会在氯硅烷环境中被腐蚀掉，腐蚀在低温和高温都会发生，而外延生长只在中间温度才会发生。 §7.1 Si气相外延的基本原理 生长速率与工艺参数之间的关系 生长速率与温度的关系 生长速率依赖所用的Si源。 高温区，生长速率由气相质量输运控制，对温度不敏感。 低温区，由表面化学反应控制，对温度敏感。 §7.1 Si气相外延的基本原理 生长速率与反应剂